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熱量傳遞
導(dǎo)熱、熱對流及熱輻射的合稱
熱量傳遞是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，常把它分成三種基本方式，即導(dǎo)熱、熱對流及熱輻射。生產(chǎn)和生活中所遇到的熱量傳遞現(xiàn)象往往是這三種基本方式的不同主次的組合。應(yīng)該指出，熱量傳遞的基本方式雖然只有三種，但與生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域密切相關(guān)的熱量傳遞問題卻是多種多樣的，而且需要在認(rèn)清其基本規(guī)律的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的探索才能獲得較滿意的結(jié)果。
簡述
熱量傳遞簡稱傳熱。物體內(nèi)部或者物體之間，只要有溫差的存在，就有熱量自發(fā)地由高溫處向低溫處傳遞。自然界日常生活和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中到處存在著溫差，因此熱量傳遞就成為一種極普遍的物理現(xiàn)象。研究熱量傳遞的規(guī)律即根據(jù)不同的熱量傳遞過程得出單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量與相應(yīng)的溫度差之間的關(guān)系。不同的熱量傳遞方式具有不同的傳遞規(guī)律，相應(yīng)的研究分析方法也各不相同。
傳熱學(xué)在科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域中都有十分廣泛的應(yīng)用。盡管各個(gè)領(lǐng)域中遇到的傳熱問題形式多樣，但研究傳熱的目的大致上可以歸納為三個(gè)方面。
(1)強(qiáng)化傳熱，在一定的條件下(如一定的溫差、體積、重量或泵功等)增加所傳遞的熱量。
(2)削弱傳熱或稱熱絕緣，即在一定的溫差下使熱量的傳遞減到最小。
(3)溫度或傳熱控制，為使一一些設(shè)備能安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，或者為得到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、工藝，需要對熱量傳遞過程中物體關(guān)鍵部位的溫度或傳熱速率進(jìn)行控制。
研究方法
在傳熱研究中，為了分析問題和數(shù)學(xué)處理的方便，與研究流體流動(dòng)時(shí)一樣，采用了連續(xù)介質(zhì)模型，即通常假定所研究的物體中溫度、密度、速度等傳熱相關(guān)物理參數(shù)都是空問的連續(xù)函數(shù)。對于氣體只要被研究物體的幾何尺度遠(yuǎn)大于分子問的平均自由程，這種連續(xù)體的假定總是成立的。
研究熱量傳遞的傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)都是研究與熱現(xiàn)象有關(guān)的科學(xué)。然而，這兩門學(xué)科的研究內(nèi)容和方法是有區(qū)別的。首先，工程熱力學(xué)研究的是處于平衡狀態(tài)的體系，其中不存在溫差或者壓力差，而傳熱學(xué)則是研究有溫差存在時(shí)處于不平衡狀態(tài)的體系的熱能傳遞規(guī)律。例如，經(jīng)過高溫制備出的材料的冷卻，熱力學(xué)主要研究單位質(zhì)量的材料在這一冷卻過程中散失的熱量；而傳熱學(xué)則主要研究該冷卻過程受哪些因素影響，冷卻過程中溫度如何變化，冷卻需要多長時(shí)間等諸多問題。其次，熱力學(xué)中所說的熱量通常是指能量，其單位通常用焦耳(J)和卡(kcal)來表示，而傳熱學(xué)中所說的傳熱量通常是指單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量，因此其單位通常用瓦(W)等功率單位。盡管如此，傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)有著密切的關(guān)系：分析任何的熱量傳遞過程都要用到熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。熱量傳遞過程的動(dòng)力是溫度差，熱能總是由高溫處向低溫處傳遞。兩種介質(zhì)或者同一物體的兩部分之間如果沒有溫差就不可能有熱量的傳遞，而這正是熱力學(xué)第二定律所規(guī)定的基本內(nèi)容。因此，工程熱力學(xué)的第一、第二定律是進(jìn)行傳熱學(xué)研究的基礎(chǔ)。
基本方式
熱量傳遞主要有三種基本方式：導(dǎo)熱、熱對流和熱輻射。傳熱可以以其中一種方式進(jìn)行，也可以同時(shí)以兩種或三種方式進(jìn)行。根據(jù)傳熱介質(zhì)的特征，熱量傳遞的過程又可以分為熱傳導(dǎo)、對流傳熱和輻射傳熱。
導(dǎo)熱
導(dǎo)熱是指依靠物質(zhì)的分子、原子和電子的振動(dòng)、位移和相互碰撞而產(chǎn)生熱量傳遞的方式。例如，固體內(nèi)部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，就是以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行的。
熱傳導(dǎo)在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中都可以發(fā)生，但熱量傳遞的機(jī)理不同。氣體的熱量傳遞是氣體分子作不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。氣體分子的動(dòng)能與其溫度有關(guān)，高溫區(qū)的分子具有較大的動(dòng)能，即速度較大，當(dāng)它們運(yùn)動(dòng)到低溫區(qū)時(shí)，便與低溫區(qū)的分子發(fā)生碰撞，其結(jié)果是熱量從高溫區(qū)轉(zhuǎn)移到低溫區(qū)。
固體以兩種方式傳遞熱量：晶格振動(dòng)和自由電子的遷移。在非導(dǎo)電的固體中，主要通過分子、原子在晶體結(jié)構(gòu)平衡位置附近的振動(dòng)傳遞能量；對于良好的導(dǎo)電體如金屬，類似氣體分子的運(yùn)動(dòng)，自由電子在晶格之間運(yùn)動(dòng)，將熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。由于自由電子的數(shù)目多，所傳遞的熱量多于晶格振動(dòng)所傳遞的熱量，因此良好的導(dǎo)電體一般都是良好的導(dǎo)熱體。
液體的結(jié)構(gòu)介于氣體和固體之間，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既依靠分子的振動(dòng)，又依靠分子間的相互碰撞。
在物體各部分之間不發(fā)生相對位移的情況下，如固體、靜止的液體和氣體中以導(dǎo)熱方式發(fā)生的熱量傳遞過程，稱為熱傳導(dǎo)。
熱對流
熱對流指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，冷熱流體相互摻混而發(fā)生熱量傳遞的方式。這種熱量傳遞方式僅發(fā)生在液體和氣體中。由于流體中的分子同時(shí)進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因此對流必然伴隨著導(dǎo)熱。
當(dāng)流體流過某一固體壁面時(shí)，所發(fā)生的熱量傳遞過程稱為對流傳熱，這一過程在工程中廣泛存在。在對流傳熱過程中，根據(jù)流體的流態(tài)，熱量可能以導(dǎo)熱方式傳遞，也可能以對流方式傳遞。
根據(jù)引起流體質(zhì)點(diǎn)位移(流體流動(dòng))的原因，可將對流傳熱分為自然對流傳熱和強(qiáng)制對流傳熱。自然對流傳熱是指由于流體內(nèi)部溫度的不均勻分布形成密度差，在浮力的作用下流體發(fā)生對流而發(fā)生的傳熱過程，例如暖氣片表面附近空氣受熱向上流動(dòng)的過程。強(qiáng)制對流傳熱是指由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他外力引起流體流動(dòng)而發(fā)生的傳熱過程。流體進(jìn)行強(qiáng)制對流傳熱的同時(shí)，往往伴隨著自然對流傳熱。
根據(jù)流體與壁面?zhèn)鳠徇^程中流體物態(tài)是否發(fā)生變化，可將對流傳熱分為無相變的對流傳熱和有相變的對流傳熱。無相變的對流傳熱指流體在傳熱過程中不發(fā)生相的變化；而有相變的對流傳熱指流體在傳熱過程中發(fā)生相的變化，如氣體在傳熱過程中冷凝成液體，或液體在傳熱過程中沸騰而轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。
熱輻射
物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。輻射有多種類型，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。
自然界中各個(gè)物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。發(fā)出熱輻射與吸收熱輻射過程的綜合結(jié)果就造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞——輻射換熱。當(dāng)物體與物體或周圍環(huán)境處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量等于零，但這是動(dòng)態(tài)平衡，研究表明物體向外發(fā)出的熱輻射和吸收的熱輻射相等，但是該物體與其他物體或環(huán)境之間的輻射與吸收過程仍在不停地進(jìn)行。高溫物體通過輻射換熱將熱量傳給低溫物體實(shí)際上是由于高溫物體給低溫物體的輻射能大于低溫物體給高溫物體的輻射能的綜合結(jié)果。
與導(dǎo)熱和對流換熱相比，熱輻射具有如下特點(diǎn)：
①輻射能可以通過真空自由地傳播而無需任何中間介質(zhì)；
②一切物體溫度高于0K的物體均能夠持續(xù)地發(fā)射出輻射能，同時(shí)也能持續(xù)地吸收來自其他物體的輻射能；
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